Общая энергетика

Выход летучих веществ из твердых топлив происходит в интервале температур от 110 до 1100 ºС.

Выход летучих веществ определяет температуру воспламенения топлива и условия его хранения, сильно влияет на конструкцию топок, где сжигается это топливо.

Чем больше выход летучих веществ, тем легче воспламеняется топливо (газообразные, летучие вещества имеют низкую температуру воспламенения).

Зольность топлива. В процессе горения топлива его минеральная часть подвергается химическим преобразованиям. Масса несгораемого остатка – золы оказывается на 10–15 % меньше, чем масса исходной минеральной части топлива

исущественно отличается от нее по составу. Свойства золы играют важную роль при сжигании топлива.

Образовавшаяся после сгорания топлива зола – это смесь минералов, а их сплавы, возникающие в зоне высоких температур, называют шлаками. Суммарное количество золы

ишлаков принято называть зольностью топлива. Температуры плавления отдельных минералов и их сплавов сильно различаются и находятся в пределах от 600 до 3000 ºС. Поэтому плавление представляет собой процесс постоянного размягчения от твердого до жидкого состояния по мере роста температуры.

Влажность топлива. Влажность топлива (W) в процентах от его рабочей массы определяется опытным путем в процессе сушки при температуре 105 ºС до достижения постоянства массы.

Большая влажность топлива вызывает трудности при сжигании. Снижается теплота сгорания, растет расход топлива, увеличиваются потери тепла с уходящими газами. Влажность топлива вызывает усиление коррозии металла отдельных конструкций топок, приводит к повышенному загрязнению поверхностей нагрева.

51

Сернистость топлива. При сжигании сера создает серьезные экологические проблемы. Окислы серы и азота, образующиеся в зоне высоких температур, представляют большую опасность для жизнедеятельности. Для улавливания этих окислов строят сложные очистные сооружения, что приводит к удорожанию примерно вдвое энергетических установок.

Характеристика отдельных видов топлив.

Торф. Самый молодой вид топлива. Энергетические установки сжигают преимущественно фрезерный торф, получаемый путем срезания с поверхности тонкого слоя фрезами. Фрезерный торф имеет высокую влажность рабочей массы (W до 50 % и более) и в связи с этим низкую теплоту сгорания Q = 8500 кДж/кг. Как молодое топливо торф обладает большим выходом летучих веществ (V = 70 %), что позволяет успешно его сжигать в пылевидном состоянии. Из-за большой влажности и низкой теплотворности его не перевозят на дальние расстояния. Торф используют как местное сырье.

Бурые угли по содержанию влаги в рабочей массе делятся на сильно влажные, повышенно влажные, влажные. Кроме большой влажности, бурые угли имеют высокую зольность и невысокую теплоту сгорания (Q = 6700…17 000 кДж/кг), поэтому дальние перевозки также нецелесообразны. Большой выход летучих веществ обеспечивает высокоэкономичное сжигание этих углей в виде подсушенной пыли.

Каменные угли объединяют большое количество углей различного химического возраста. Молодые каменные угли по выходу летучих веществ близки к бурым углям, но имеют меньшую влажность и зольность. Это увеличивает их теплоту сгорания (Q = 19 000…27 000 кДж/кг). Средняя по возрасту группа углей отличается повышенной зольностью. Их теплота сгорания ниже, чем у молодых углей. Более старые угли имеют малую влажность, невысокую

52

зольность и, соответственно, высокую теплотворную спо-

Полуантрациты и антрациты – это наиболее старые угли с низким выходом летучих веществ, низкой влажностью и зольностью. Также являются хорошим сырьем для металлургической промышленности.

Мазут. К техническим характеристикам жидкого топлива относятся вязкость и температура вспышки. Вязкость мазута положена в основу его маркировки. Она измеряется при определенных стандартных температурах как отношение времени вытекания через стандартное отверстие мазута и такого же количества воды и определяется в градусах условной вязкости. С повышением температуры вязкость мазута

Газы. В качестве топлива используют преимущественно природный (естественный) горючий газ, а также различные виды искусственных (производственных) горючих газов. Газовое топливо, как правило, представляет собой смесь нескольких индивидуальных газов.

Естественные горючие газы подразделяются на собственно газы природные и газы нефтяные попутные.

Месторождения, содержащие только природное газовое топливо, в зависимости от состава последнего делятся на чисто газовые и газоконденсатные.

Природные газы преимущественно содержат метан и его гомологи (этан, пропан, бутан и другие). В них также присутствуют углекислый газ, азот, сероводород и другие. Природные газы – это высокоэкономичное энергетическое топливо,

53

имеющее высокую теплоту сгорания (Q = 35 000 кДж/кг и выше).

Газ чисто газовых месторождений состоит почти из одного метана. Этан и пропан содержатся в общем объеме в незначительных количествах, другие углеводороды и прочие газы практически отсутствуют. При таком составе (содержание гомологов менее 50 г/м3) газ называют бедным или тощим.

Газ газоконденсатных месторождений помимо метана содержит значительное количество высших углеводородов, главным образом пропан и бутан. Газ с высоким содержанием гомологов называют богатым или жирным.

Газы нефтяные попутные содержат в значительных количествах гомологи, в том числе высокомолекулярные предельные углеводороды, кроме того, в них присутствуют пары воды, углекислый газ, азот, сероводород, редкие газы – гелий, аргон. Попутный газ (нефтепромысловый) получают при разработке нефтяных месторождений. Количество газов (в м3), приходящихся на 1 т добытой нефти (так называемый газовый фактор), зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 1–2 до

3000–6000 м3/т нефти.

Искусственные газы содержат больше негорючих компонентов (балласта). Газы коксовых печей содержат до 57 % водорода, 22 % метана, около 7 % окиси углерода, остальное – балластные газы. Теплота сгорания коксового газа около 17 000 кДж/кг. Доменный газ содержит около 30 % горючих компонентов, остальное – балласт. Поэтому теплота сгорания доменного газа низкая и немного превышает 4000 кДж/кг условного топлива.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

54

2.1. Теплопередача, виды теплообмена

Теплопередача – совокупность необратимых процессов переноса тепла, происходящих в неравномерно нагретых телах (средах) или между телами с различными температурами через промежуточную среду.

Теплообмен – процесс распространения тепла от более нагретых тел к менее нагретым.

Различают такие виды теплообмена, как теплопроводность; конвекция; тепловое излучение (радиационное или лучистое излучение).

Теплообмен осуществляется с помощью теплообменных аппаратов (теплообменников) через рабочую среду, в качестве которой выступает вода или газ (пар).

По принципу действия теплообменники разделяются на

поверхностные и смесительные. В первых аппаратах тепло-

обмен осуществляется рабочей средой через поверхность нагрева тел, во-вторых – путем непосредственного смешения горячей и холодной сред.

Поверхностные теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках тепловой поток через стенку всегда идет в одном направлении (паровой котел, кипятильник, электрокалорифер и др.). Кроме того, в зависимости от направления теплового потока они могут быть нагревателями или холодильниками. В зависимости от рода теплообменной среды они могут быть парожидкостными (водяные печи саун, водогрейные котлы), жидкостножидкостными (системы сетевой воды), газожидкостными (газовые водогрейные колонки) и газо-газовыми (пароперегреватель парового котла, промежуточный перегреватель пара).

В регенеративных теплообменниках тепловой поток ме-

няет направление в зависимости от того, какая среда сопри-

55

касается со стенкой (греющая или нагреваемая), поскольку с одной и той же поверхностью нагрева соприкасаются горячая и холодная среда одновременно (регенеративные подогреватели конденсата, питательной воды).

Смесительные теплообменники применяют как для охлаждения, так и для нагревания газов и жидкостей. В качестве смешиваемых сред могут выступать вода и пар (барабан парового котла), вода и вода (системы горячего водоснабжения), вода и воздух (системы вентиляции, кондиционирования воздуха), газ и воздух (системы питания котельных агрегатов) и др. Одним из определяющих факторов в работе смесительных теплообменников является поверхность соприкосновения смешиваемых сред. Для увеличения поверхности соприкосновения сред жидкость обычно разбрызгивают, теплообменники загружаются пусковым материалом (коксом, хворостом и др.). Смесительные теплообменники допускают более полное использование тепла, чем поверхностные, но они применимы лишь, когда допустимо смешение сред.

Теплопроводность – один из видов теплопередачи (теплообмена), при котором перенос тепла имеет атомномолекулярный характер. Явление теплопередачи возникает всегда, когда между телами или участками тела есть разница температур. В отличие от конвекции, перенос тепла происходит без каких-либо макроскопических движений в теле. Количественно теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности (табл. 2.1).

Механизм теплопроводности зависит от природы и физического состояния тела. В частности, в газах передача тепла

вжидкостях – ионами, в диэлектриках – колебаниями кристаллической решетки.

Конвекция – перенос тепла внутри области, заполненной жидкой или газообразной средой, вследствие перемещения вещества этой среды.

Различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию.

При естественной конвекции перемещение вещества происходит исключительно вследствие различия температур

вотдельных местах, заполненных жидкостью или газом. Интенсивность конвекции при этом тем больше, чем больше разность температур, чем больше теплопроводность и коэффициент объемного расширения вещества, чем меньше его вязкость. Естественная конвекция имеет место, как в природных условиях, так и в технических устройствах.

При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит главным образом под воздействием внешнего возбудителя (насоса, вентилятора, дымососа, мешалки и др.). Интенсивность переноса тепла при этом зависит как от перечисленных выше факторов для естественной конвекции, так и от скорости вынужденного движения. Вынужденная конвекция используется, в частности, при нагреве питательной воды котельных агрегатов дымовыми отходящими газами

вконвективной зоне котла (экономайзер котла). Конвективными подогревателями воздуха с вынужденной конвекцией являются, например, батареи центрального отопления, электрокалориферы и др.

57

Тепловое излучение (температурное излучение) – электромагнитное излучение, обусловленное тепловой энергией излучающего тела (твердого, жидкого или газообразного). Происходит в результате колебаний электрически заряженных частиц (электронов, ионов) в веществе. При тепловом излучении имеет место устойчивое равновесное состояние, причем в спектре теплового излучения присутствуют электромагнитные волны разной длины волны (сплошной спектр), амплитуда которых зависит от температуры. При низких температурах имеет место инфракрасное (сравнительно низкочастотное невидимое) излучение, при высоких температурах – видимое и ультрафиолетовое излучение. Например, при нагревании тугоплавкого тела (угля, металла) до температуры около 500 °С появляется видимое темно-красное свечение этого тела. При температуре тела около 1500 °С свечение переходит в белое каление.

Основные характеристики теплового излучения:

1)излучательная способность тела – количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела в интервале определенных частот;

2)поглощательная способность тела – отношение для данного интервала частот количества энергии, поглощаемой единицей поверхности тела, к количеству энергии, падающей на ту же поверхность за то же время.

Основной закон теплового излучения сформулирован

Кирхгофом: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела, являясь универсальной функцией температуры и частоты. Для абсолютно черного тела, например, сажи, поглощательная способность максимальна и равна единице. Свечение, не подчиняющееся закону Кирхгофа, не является тепловым (например, люминесцентным).

Отдача тепла лучеиспусканием имеет место, в частности, в топочных камерах котельных агрегатов. Нагреватель-

58

ные элементы (радиационные или лучевые, ширменные нагреватели), представляющие собой систему высокотемпературных металлических труб, размещают под потолком котла, и пропускают через них нагреваемое рабочее тело (питательную воду или пар).

2.2.Основные термодинамические процессы

изаконы (начала) термодинамики

Упрощенная технологическая схема паросиловой конденсационной энергетической установки для производства электроэнергии приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема паросиловой конденсационной установки

Пар большого давления и температуры подается из котельного агрегата КА (парогенератора) через пароперегреватель ПП в сопловые аппараты паровой турбины ПТ (линия связи 1 на рис. 2.1), имеющей несколько ступеней расширения пара. Расширяясь, пар вращает турбину, которая приводит во вращение электрогенератор ЭГ. При этом температура и давление пара в ПТ падают до некоторых конечных значений. После турбины (линия 2 на рис. 2.1) пар направляется

вконденсатор К (теплообменник, по трубам которого циркулирует охлаждающая вода), где конденсируется, превращаясь

вводу. Эта вода поступает в питательный насос ПН (линия 3 на рис. 2.1), который закачивает ее под определенным давлением (линия 4 на рис. 2.1) в нагревательные трубы котельного агрегата КА. В нем вода сначала нагревается дымовыми

59

газами из топки КА до температуры кипения, а затем влажный насыщенный пар нагревается в кипятильных трубах КА до состояния сухого насыщенного пара. Далее этот пар поступает в пароперегреватель (линия 5 на рис. 2.1), где параметры пара (давление и температура) доводятся до состояния, соответствующего параметрам линии 1 на рис. 2.1. Так замыкается термодинамический цикл работы установки.

Впроцессе теплообмена с котельным агрегатом и конденсатором рабочее тело меняет такие свои параметры, как давление, объем и температура в зависимости от характера теплопередачи. Как известно [2, 4], изменение этих параметров может происходить изотермически (при постоянстве температуры), адиабатически (при постоянстве совершаемой работы), изохорически (при постоянстве объема) и изобатически (при постоянстве давления). Из этих термодинамических процессов в ходе преобразования полученного количества теплоты от котельного агрегата образуются замкнутые термодинамические циклы рабочего тела.

Вэнергетических установках на органическом топливе всегда используют перегретый пар. В настоящее время температура пара конденсационных установок с промежуточным перегревом пара перед турбиной обычно достигает 540– 560 °С при давлении пара перед турбиной до 23,5 МПа, а без

промежуточного перегрева – до 535 °С при давлении до

8,8 МПа.

Энергетические установки на ядерном топливе широко используют насыщенный пар, начальные параметры которого на входе в турбину зависят как от технологической схемы установки, так и от типа применяемой турбины (конденсационной или с регулируемыми отборами пара).

Таким образом, энергия сгораемого топлива идет на нагрев питательной воды и пара в паровом котле. Энергия пара парового котла (теплогенератора) преобразуется в механическую энергию вращения паровой турбины с электроге-

60